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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine und einer einen Wärmespeicher aufweisenden Temperiervorrichtung, welche ausgebildet ist, im Betrieb der Brennkraftmaschine entstehende Wärme aufzunehmen, zu speichern und bei Bedarf an die Brennkraftmaschine abzugeben.
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In Kraftfahrzeugen mit Brennkraftmaschinen sind Temperiervorrichtungen, insbesondere Flüssigkeitskühlungen mit einer Flüssigkeit als Kühlmittel sehr verbreitet. Es ist auch bekannt Wärmespeicher in die Temperiervorrichtungen zu integrieren, welche im Betrieb der Brennkraftmaschine entstehende Wärme speichern und zu einem späteren Zeitpunkt zur Verfügung stellen sollen.
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Nimmt der Wärmespeicher Wärme auf, wird dem Kühlmittel Wärme entzogen. Die Wärmeaufnahme wirkt somit kühlend auf die Brennkraftmaschine. Damit diese Kühlwirkung keinen negativen Einfluss auf die Temperatur der Brennkraftmaschine und mit ihr verbundene Systeme ausübt, ist eine aufwendige Steuerung für die Wärmeaufnahmephase notwendig.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Temperiervorrichtung bereitzustellen, die die oben genannten Nachteile vermeidet.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Kraftfahrzeug nach Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug weist eine Brennkraftmaschine und einer Temperiervorrichtung auf. Die Temperiervorrichtung umfasst dabei einen Wärmespeicher um im Betrieb der Brennkraftmaschine entstehende Wärme aufzunehmen, zu speichern und bei Bedarf an die Brennkraftmaschine abzugeben. Erfindungsgemäß ist stromaufwärts einer Speicherzulaufleitung des Wärmespeichers ein Druckventil angeordnet.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Wärmespeichers sind die Auswirkungen auf die Brennkraftmaschine beim Laden des Wärmespeichers vorteilhaft verringert. Durch die Anordnung der Entnahmestelle stromabwärts des Druckventils findet eine Wärmeaufnahme im Wärmespeicher nur dann statt, wenn die Brennkraftmaschine eine bestimmte Leistung erzeugt. In diesem Zustand erzeugt die Brennkraftmaschine ohnehin mehr Wärme und der Kühlmittelstrom ist erhöht. Dadurch fällt die durch die Aufladung verursachte Abkühlung verhältnismäßig geringer aus. Ein Ladevorgang des Wärmespeichers ist dadurch einfach zu steuern.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs umfasst die Brennkraftmaschine einen Kühlmitteleingang und einen Kühlmittelausgang. Die Temperiervorrichtung ist am Kühlmitteleingang und am Kühlmittelausgang fluidleitend mit der Brennkraftmaschine verbunden. Die Temperiervorrichtung weist eine Umlaufleitung auf, welche ausgebildet ist ein Kühlmittel vom Kühlmittelausgang zum Kühlmitteleingang zu leiten. Die Speicherzulaufleitung ist dabei mit der Umlaufleitung an einer Entnahmestelle fluidleitend verbunden.
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Vorteilhafterweise können in der Zulaufleitung zur Innenraumheizung und/oder in der Rücklaufleitung vom Ausgleichsbehälter Rückschlagventile angeordnet sein. Dies verhindert ein Rückströmen des heißen Kühlmittels aus der Innenraumheizung bzw. ein Strömen von kaltem Kühlmittel aus dem Ausgleichsbehälter.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs ist in der Speicherzulaufleitung eine Speicherzulaufpumpe angeordnet. Damit kann auch unabhängig vom Druck in der Umlaufleitung operiert werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs ist in der Umlaufleitung stromaufwärts des Druckventils ein Thermostat angeordnet. Mit dem Thermostat ist es möglich das Kühlmittel in Abhängigkeit seiner Temperatur in verschiede Leitungen zu leiten. Damit kann das Kühlmittel für verschiedene Aufgaben im Kraftfahrzeug verwendet werden.
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So kann der Thermostat mit einer Kühlschleife fluidleitend verbunden sein, welche eine Kühlerzulaufleitung, einen stromabwärts der Kühlerzulaufleitung angeordneten Kühler und eine stromabwärts des Kühlers angeordnete Kühlerrücklaufleitung umfasst. Damit ist gleichzeitig eine Kühlfunktion mit der Temperiervorrichtung ermöglicht.
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Zudem kann der Thermostat mit einer Heizschleife fluidleitend verbunden sein, welche eine Heizungszulaufleitung, eine stromabwärts der Heizungszulaufleitung angeordnete Innenraumheizung und eine stromabwärts der Innenraumheizung angeordnete Heizungsrücklaufleitung umfasst. Dies ermöglicht, mittels der Temperiervorrichtung auch den Innenraum des Kraftfahrzeugs zu wärmen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs ist in der Heizungsrücklaufleitung ein Abgaskühler angeordnet. Damit kann die Temperierungsvorrichtung auch zum Kühlen von Abgasen eingesetzt werden. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug kann somit eine Abgasrückführungseinrichtung aufweisen, deren Einsatz die Abgaswerte der Brennkraftmaschine verbessert und den Betrieb der Brennkraftmaschine effizienter gestaltet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug.
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2 zeigt schematisch eine Temperiervorrichtung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs.
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In der 1 ist beispielhaft ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug 10 gezeigt. Das Kraftfahrzeug 10 umfasst erfindungsgemäß eine Brennkraftmaschine 12 und eine Temperiervorrichtung 11. Die Brennkraftmaschine 12 kann direkt als Traktionsmotor oder indirekt als Reichweitenverlängerer zum Antrieb des Kraftfahrzeugs 10 dienen und/oder als Heizung zur Wärmeversorgung des Kraftfahrzeugs 10. Die Temperiervorrichtung 11 ist erfindungsgemäß ausgebildet, die Brennkraftmaschine 12 in einen bestimmten Betriebstemperaturbereich zu bringen und zu halten. Die Brennkraftmaschine 12 und die Temperiervorrichtung 11 sind insbesondere in einem Motorraum des Kraftfahrzeugs 10 untergebracht.
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In der 2 sind die Brennkraftmaschine 12 und die Temperiervorrichtung 11 beispielhaft in einer Detailansicht gezeigt.
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Die gezeigte Brennkraftmaschine 12 ist hier beispielhaft als Hubkolbenmotor ausgeführt, der, wie es üblich ist, einen Zylinderblock 13 und einen auf dem Zylinderblock 13 angeordneten Zylinderkopf 14 umfasst. Die Brennkraftmaschine 12 kann einen Kühlmitteleingang 31 und einen Kühlmittelausgang 32 aufweisen. Der Kühlmitteleingang 31 und der Kühlmittelausgang 32 sind mittels im Inneren der Brennkraftmaschine 12 verlaufender, hier nicht näher gezeigter Kühlmittelkanäle fluidleitend miteinander verbunden. Die Anordnung dieser Kühlmittelkanäle im Inneren der Brennkraftmaschine entspricht dem Stand der Technik.
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Die Temperiervorrichtung 11 kann mit dem Kühlmitteleingang 31 und mit dem Kühlmittelausgang 32 fluidleitend verbunden sein. Die gezeigte Temperiervorrichtung 11 umfasst eine Umlaufleitung 23, die ausgebildet ist, Kühlmittel von dem Kühlmittelausgang 32 der Brennkraftmaschine 12 zum Kühlmitteleingang 31 der Brennkraftmaschine 12 zu leiten. Als Kühlmittel kommt hier insbesondere eine Kühlflüssigkeit zum Einsatz. Die Temperiervorrichtung 11 ist erfindungsgemäß ausgebildet, im Betrieb der Brennkraftmaschine 12 entstehende Wärme aufzunehmen, zu speichern und bei Bedarf an die Brennkraftmaschine 12 abzugeben. Die erfindungsgemäße Temperiervorrichtung 11 umfasst dazu einen Wärmespeicher 15. Dieser ist insbesondere mit der Umlaufleitung 23 fluidleitend verbunden.
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Der Wärmespeicher 15 ist erfindungsgemäß über eine Speicherzulaufleitung 29 mit der Brennkraftmaschine 12 verbunden. Die Speicherzulaufleitung 29, der Wärmespeicher 15 und eine Speicherrücklaufleitung 30 bilden hier eine Speicherschleife 39. In der Speicherzulaufleitung 29 kann eine Speicherzulaufpumpe 17 angeordnet sein. Die Speicherzulaufpumpe 17 ist beispielsweise eine elektrisch angetriebene Flüssigkeitspumpe. Es ist auch denkbar, die Speicherzulaufpumpe 17 mit der Brennkraftmaschine 12 anzutreiben.
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Die Speicherzulaufleitung 29 ist an einer Entnahmestelle 33 mit der Umlaufleitung 23 fluidleitend verbunden. Die Entnahmestelle 33 weist bevorzugt ein Ventil 18 auf. Das Ventil ist insbesondere ein Drei-Wege Ventil 18, welches zumindest einen Teil des durch die Umlaufleitung 23 strömenden Kühlmittels in die Speicherzulaufleitung 29 leitet. Es ist erfindungsgemäß auch vorstellbar, dass das Ventil 18 schaltbar ist.
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Die Entnahmestelle 33 ist erfindungsgemäß stromabwärts eines in der Umlaufleitung 23 angeordneten Druckventils 25 angeordnet. Das Druckventil 25 weist zumindest zwei Schaltzustände auf. In einem ersten Schaltzustand ist das Druckventil 25 in beide Richtungen undurchlässig und in einem zweiten Schaltzustand ist das Druckventil 25 in Richtung des Kühlmitteleingangs 31 der Brennkraftmaschine 12 geöffnet. Das Druckventil 25 ist in der Weise ausgebildet, den Weg durch die Umlaufleitung 23 von dem Kühlmittelausgang 32 zum Kühlmitteleingang 31 führend erst ab einem vordefinierten Druck für das Kühlmittel freizugeben. In die entgegengesetzte Richtung, vom Kühlmitteleingang 31 zum Kühlmittelausgang 32, ist das Druckventil 25 geschlossen.
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Durch die Speicherrücklaufleitung 30 strömt das Kühlmittel aus dem Wärmespeicher 15 in die Umlaufleitung 23. In der gezeigten Ausgestaltung mündet die Speicherrücklaufleitung 30 in der Umlaufleitung 23 an einer Zuführstelle 34. Die Zuführstelle 34 liegt bevorzugt stromabwärts der Entnahmestelle 33.
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Der Wärmespeicher 15 ist ausgebildet, Wärme aufzunehmen, diese eine unbestimmte Zeit lang zu speichern und zu einem späteren Zeitpunkt wieder abzugeben. Der Wärmespeicher 15 ist ausgebildet, ein Speichermedium im Wesentlichen thermisch von der Umgebung zu isolieren. Das Speichermedium kann insbesondere das Kühlmittel selbst sein oder ein mit dem Kühlmittel in thermischem Kontakt, nicht aber in stofflichem Kontakt bringbarer Speicherstoff, der dauerhaft im Wärmespeicher 15 angeordnet ist. Der thermische Kontakt kann über eine Wärmetauscheinrichtung realisiert sein. Das Speichermedium weist jeweils eine Speichertemperatur auf.
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Mit der Durchströmung des Wärmespeichers 15 kann Wärme aufgenommen oder entnommen werden, je nach Temperaturverhältnis zwischen dem einströmenden Kühlmittel und dem im Wärmespeicher 15 befindlichen Speichermedium. Weist das in den Wärmespeicher 15 einströmende Kühlmittel eine Temperatur auf, die höher ist als die Speichertemperatur, nimmt der Wärmespeicher 15 Wärme vom einströmenden Kühlmittel auf. Weist das in den Wärmespeicher 15 einströmende Kühlmittel eine Temperatur auf, die niedriger ist als die Speichertemperatur, gibt der Wärmespeicher 15 Wärme an das einströmende Kühlmittel ab. Die Wärme wird dann beim Ausströmen des Kühlmittels aus dem Wärmespeicher 15 zur Brennkraftmaschine 12 transportiert.
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Die Brennkraftmaschine 12 ist bevorzugt in einem bestimmten Betriebstemperaturbereich zu betreiben. In dem Betriebstemperaturbereich arbeitet die Brennkraftmaschine 12 optimal. Der Betriebstemperaturbereich eines Hubkolbenmotors kann beispielsweise zwischen 70 °C und 120 °C liegen. Der Betriebstemperaturbereich liegt insbesondere höher als übliche Außentemperaturen. Während des Betriebs der Brennkraftmaschine 12 entsteht Wärme. Die erfindungsgemäße Temperiervorrichtung 11 nimmt diese Wärme insbesondre dadurch auf, dass die Wärme an das die Brennkraftmaschine 12 durchströmende Kühlmittel abgegeben wird und die Wärme mit dem Kühlmittel zum Wärmespeicher 15 transportiert wird. In dem Wärmespeicher 15 wird die Wärme gespeichert.
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Nach einer Betriebspause der Brennkraftmaschine 12, bei der sich die Brennkraftmaschine 12 aufgrund der niedrigeren Außentemperatur auf eine Temperatur unterhalb des Betriebstemperaturbereichs abgekühlt hat, dient die in dem Wärmespeicher 15 gespeicherte Wärme zur Aufwärmung der Brennkraftmaschine 12 auf eine in dem Betriebstemperaturbereich liegende Temperatur. Das Abgeben der im Wärmespeicher 15 gespeicherten Wärme geschieht dadurch, dass Kühlmittel in den Wärmespeicher 15 geleitet wird, welches die gespeicherte Wärme aufnimmt und abtransportiert. Die Wärme gelangt so in die Umlaufleitung 23 und wird an die Brennkraftmaschine 12 abgegeben.
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Die Speicherschleife 39 ist bevorzugt komplett mit Kühlmittel gefüllt. Ein Einleiten der Kühlflüssigkeit in die Speicherschleife 39 geschieht somit immer einher mit einem Ausleiten der bereits in der Speicherschleife 39 befindlichen Kühlflüssigkeit. Der Kühlmittelstrom durch die Speicherschleife 39 ist vom Schaltzustand des Druckventils 25 und/oder des Ventils 18 abhängig. Die erfindungsgemäße Anordnung des Druckventils 25 gewährleistet, dass das aus der Brennkraftmaschine 12 kommende Kühlmittel erst ab Erreichen eines bestimmten Druckes durch das Druckventil 25 hindurch in die Umlaufleitung 23 gelangt. Dieser Zustand des erhöhten Druckes tritt bei der Brennkraftmaschine 12, insbesondere beim Hubkolbenmotor, bei Überschreiten einer bestimmten Drehzahl auf, bei der die Brennkraftmaschine 12 gleichzeitig viel Wärme produziert. Der Kühlmittelstrom in der Umlaufleitung 23 ist dabei erhöht. Daraus resultiert, dass bei der Aufnahme von Wärme beim Einleiten des warmen Kühlmittels in den Wärmespeicher 15 gleichzeitig das aus dem Wärmespeicher 15 strömende kältere Kühlmittel in die Umlaufleitung 23 mit erhöhtem Kühlmittelstrom gelangt. Die Abkühlung des Kühlmittels in der Umlaufleitung 23, die das aus dem Wärmespeicher 15 ausströmende kältere Kühlmittel dabei verursacht ist wesentlich geringer als eine Abkühlung bei nicht erhöhtem Kühlmittelstrom.
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Der Kühlmittelfluss durch die Temperiervorrichtung 11 wird bevorzugt durch eine hier als Umlaufpumpe 26 bezeichnete Kühlmittelpumpe angetrieben. Die Umlaufpumpe 26 wird beispielsweise von einer Welle der Brennkraftmaschine 12, wie der Kurbelwelle, zum Beispiel über einen Riementrieb angetrieben. In dieser Weise ist es der 2 gezeigt. Auch ein Antrieb der Pumpe mittels eines Elektromotors ist denkbar. In der gezeigten Ausgestaltung ist die Umlaufpumpe 26 stromaufwärts des Kühlmitteleingangs 31 der Brennkraftmaschine 12 angeordnet. Die Umlaufpumpe 26 kann auch im Zylinderblock 13 angeordnet sein.
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Stromaufwärts des Druckventils 25 kann erfindungsgemäß ein Thermostat 24 in der Umlaufleitung 23 angeordnet sein. Der Thermostat 24 ist ausgebildet, das Kühlmittel in Abhängigkeit einer Temperatur des Kühlmittels zu leiten. So kann der Thermostat 24 erfindungsgemäß mit einer Kühlschleife 35 sowie mit einer Heizschleife 36 fluidleitend verbunden sein und das Kühlmittel ab Erreichen einer vordefinierten Temperatur durch die Kühlschleife 35 und/oder die Heizschleife 36 leiten.
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Die Kühlschleife 35 ist ausgebildet, einem Verlassen des Betriebstemperaturbereichs der Brennkraftmaschine 12 entgegenzuwirken. Die Kühlschleife 35 umfasst eine Kühlerzulaufleitung 27, einen stromabwärts der Kühlerzulaufleitung 27 angeordneten Kühler 20 und eine stromabwärts des Kühlers 20 angeordnete Kühlerrücklaufleitung 28. Der Kühler 20 ist insbesondere ein Radiator, der Wärme an die Umgebung des Kraftfahrzeugs 10 abgibt, wie es nach dem Stand der Technik üblich ist. Die Kühlerrücklaufleitung 28 mündet insbesondere in der Umlaufleitung 23 stromabwärts des Druckventils 25 und stromaufwärts der Entnahmestelle 33 der Speicherschleife 39. Um die Brennkraftmaschine 12 in dem bestimmten Temperaturbereich zu betreiben, leitet der Thermostat 24 das Kühlmittel erst ab einer bestimmten Temperatur des Kühlmittels in die Kühlschleife 35.
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Dadurch soll die Brennkraftmaschine 12 zunächst eine Betriebstemperatur erreichen, bevor im weiteren Betrieb Wärme der Brennkraftmaschine 12 an die Umwelt abgegeben wird. Durch das Abgeben der Wärme des Kühlmittels an die Umwelt wird die Temperatur des Kühlmittels gesenkt und die Kapazität des Kühlmittels für die weitere Aufnahme von Wärme der Brennkraftmaschine 12 erhöht. Die Kühlung bei Kraftfahrzeugen in dieser Weise zu gestalten, ist eine bekannte Maßnahme.
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Zusätzlich zur Kühlschleife 35 kann das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug 10 einen Ölkühler 22 zur Temperierung der Brennkraftmaschine aufweisen. Der Ölkühler 22 ist ausgebildet, einem als Hilfsstoff für die Brennkraftmaschine 12 dienenden Öl Wärme zu entziehen und damit die Brennkraftmaschine zu kühlen und einem Verlassen des Betriebstemperaturbereichs entgegenzuwirken.
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Die Heizschleife 36 umfasst eine Heizungszulaufleitung 37, eine stromabwärts der Heizungszulaufleitung 37 angeordnete Innenraumheizung 19 und eine stromabwärts der Innenraumheizung 19 angeordnete Heizungsrücklaufleitung 38. Die Innenraumheizung 19 ist ausgebildet, den Innenraum des Kraftfahrzeugs 10 zu erwärmen. In der Heizungsrücklaufleitung 38 kann erfindungsgemäß ein Abgaskühler 21 angeordnet sein. Der Abgaskühler 21 ist ausgebildet, zurückgeführtes Abgas zu kühlen.
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In der dargestellten Ausgestaltung ist die Temperiervorrichtung 11 ein geschlossenes System. Als Kühlmittel wird hier eine Kühlflüssigkeit verwendet. Um zu gewährleisten, dass sich in der Kühlflüssigkeit keine Gase befinden, die die Effektivität der Temperiervorrichtung 11 verringern und die Funktion der Pumpen 26, 17 beeinträchtigen könnten, umfasst die gezeigte Temperiervorrichtung 11, wie es im Stand der Technik üblich ist, einen Ausgleichsbehälter 16.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kraftfahrzeug
- 11
- Temperiervorrichtung
- 12
- Brennkraftmaschine
- 13
- Zylinderblock
- 14
- Zylinderkopf
- 15
- Wärmespeicher
- 16
- Ausgleichsbehälter
- 17
- Speicherzulaufpumpe
- 18
- Ventil
- 19
- Innenraumheizung
- 20
- Kühler
- 21
- Abgaskühler
- 22
- Ölkühler
- 23
- Umlaufleitung
- 24
- Thermostat
- 25
- Druckventil
- 26
- Umlaufpumpe
- 27
- Kühlerzulaufleitung
- 28
- Kühlerrücklaufleitung
- 29
- Speicherzulaufleitung
- 30
- Speicherrücklaufleitung
- 31
- Kühlmitteleingang
- 32
- Kühlmittelausgang
- 33
- Entnahmestelle
- 34
- Zuführstelle
- 35
- Kühlschleife
- 36
- Heizschleife
- 37
- Heizungszulaufleitung
- 38
- Heizungsrücklaufleitung
- 39
- Speicherschleife
